近α型钛合金热处理工艺的研究进展

陈美旭，赵作福，袁 辉，梁 雨，许园标

近α型钛合金热处理工艺的研究进展

陈美旭，赵作福，袁 辉，梁 雨，许园标

（辽宁工业大学 材料科学与工程学院辽宁 锦州 121001）

综述了近α型钛合金热处理工艺的研究现状，从退火处理和固溶时效角度出发，详细阐述了加热温度、保温时间、冷却速度等热处理工艺参数对组织性能的影响。通过改变热处理参数，可有效改变近α型钛合金的显微组织和相组成，进而改善钛合金的综合性能，以此来满足实际生产需求，并对近α型钛合金工业化应用进行了展望。

近α型钛合金；退火处理；固溶时效；组织和性能

近年来，随着世界各国对化工、海洋开发、石油行业、船舶运输等行业投入的不断加大，使得钛合金的用量需求不断攀升，其中近α型钛合金因具有良好的高温力学性能、抗蠕变及耐腐蚀性能受到了科研工作者们的持续关注[1-4]。几十年来，国内外学者对近α型钛合金退火处理工艺进行不断的更新和改进，使其热处理工艺得到进一步完善。通过改变热处理参数，如加热温度、冷却速度等，来改变钛合金微观结构[5-6]，进而改善其综合性能。本文主要对近α型钛合金热处理工艺的整理和热处理后合金综合性能进行了归纳和总结，为提高其在工业生产方面的应用，增加数据支持提供借鉴和参考。

1 退火处理对近α型钛合金板材组织和性能的影响

1.1 去应力退火

钛合金经过加工变形后会产生应力应变，因此需先进行去应力退火处理，消除内应力，才能进行下一道工序[7-9]。该过程主要发生回复过程，强度下降，塑性升高，能有效改善合金综合性能。2019年，黄定辉等[10]研究退火温度对TA15钛合金锻件组织性能的影响，采用真空去应力退火（580、610、640 ℃）×360 min炉冷至80 ℃后空冷。结果表明，去应力退火处理后该合金组织为双相组织。当退火工艺经580 ℃×6 h炉冷至80 ℃空冷处理后，TA15钛合金锻件的抗拉强度为980 MPa，伸长率为16%，断面收缩率为44%，合金性能得到明显改善。田程等[11]对TA15采用12组不同退火工艺处理，得出在再结晶温度（800 ℃左右）以下时主要发生回复过程，显微组织与原始组织无太大区别，其强度塑性变化不明显。随退火温度的升高，初生α相开始减少，次生α相开始增多，且随温度接近相变点时，次生α相由长条状长成短棒状。

2021年，王田等[12]采用6种不同的退火工艺（600、640、680、720、760、800 ℃）×1 h/AC对TA10钛合金板材进行处理，并在室温下对纵、横向的强度塑性进行对比。研究结果表明，当温度在600～800 ℃范围内，钛合金板材的纵、横向抗拉强度均随温度的增加呈先下降后上升趋势，而伸长率变化与之相反，在760 ℃时，纵、横向抗拉强度值最优，分别为554、555 MPa，伸长率均为28%。华瑶[13]在研究热处理制度对Ti80钛合金棒材组织和性能的影响时，得出不同热处理工艺后的显微组织，如图1所示。当普通退火700～850 ℃能有效提高塑性，降低强度。当热处理参数为750 ℃×800 min/AC时，合金综合性能较好，其抗拉强度为940 MPa，屈服强度为830 MPa，收缩率为27%，伸长率13%。

1.2 再结晶退火

2003年，张晶宇等[14]对TA15钛合金采用3种工艺780～950 ℃×100 min/AC、930 ℃×100 min/AC+ 500～650 ℃/AC、810～850 ℃×100 min/AC+ 600 ℃×100 min/AC处理，研究结果表明，初生α相随退火温度的升高逐渐减少，细小的α相分布杂乱，其强化作用使得该合金的抗拉强度随着温度的升高而增加。当退火参数为930 ℃×100 min/AC一次退火+600 ℃×100 min/AC二次退火时，该合金抗拉强度为1050 MPa、断面收缩率为40%、伸长率为15%。沙爱学等[15]对TA15钛合金棒材和锻件进行退火实验，研究其性能和组织变化，通过实验数据得出，在850 ℃以上退火时，弥散析出的次生α相起强化作用。当退火温度为850 ℃时综合性能最优，棒材抗拉强度达到1 040 MPa，锻件抗拉强度达到1 030 MPa。2011年，虞忠良等[16]研究不同退火温度（740、780、820、850、875、920 ℃）×1 h/AC对TA15钛合金板三向硬度的影响。结果表明，硬度呈先下降后上升趋势，当退火温度超过850 ℃后，α相减少，β相增多，在冷却过程中析出次生α相增多，合金强度硬度得到提高。当退火温度为850 ℃时，1.2 mm厚板材维氏硬度降至最低（板面法向：35 HV，横向：31 HV，轧制方向：31 HV）。张亚峰等[17]对TA16冷轧管材在不同温度（600、650、700、750 ℃）×1 h进行退火处理，并充氩气迅速冷却。实验结果表明，当退火温度超过600 ℃后均为等轴组织，且随温度升高而逐渐长大。当退火温度为700 ℃时，其伸长率达到28%，屈强比降至0.77，抗拉强度达到570 MPa，超过700 ℃后抗拉强度没有显著的变化。2015年，葛伟等[18]采用不同退火温度（550、600、650、700、750、800 ℃）与不同退火时间（15、30、60、120、180min）相结合对TA10钛合金板材进行退火处理。研究表明，在750 ℃×60 min时合金组织全部转化为等轴α相，抗拉强度为565 MPa，伸长率为27.5%，当保温时间超过60 min时，伸长率出现明显下降，塑性降低；当退火温度达到800 ℃时，出现部分组织变大，伸长率降至25%，抗拉强度变化不明显。程帅朋等[19]将TA10钛合金墩拔后进行（600、650、700、750 ℃）×1 h/AC退火处理。研究结果表明，经退火处理后，钛合金组织出现再结晶现象，位错密度减小，释放畸变能，塑性上升强度下降，700 ℃×1 h/AC时达到最优，其抗拉强度为687 MPa、伸长率为22.5%、断面收缩率为33.5%。

1.3 β退火

温度达到相变点附近时进行退火，通过调节相组成来改变组织，以达到改善合金性能的目的。2009年，吕逸帆等[20]对TA15钛合金退火工艺研究，实验得到，当退火温度达到700 ℃时，TA15钛合金发生回复可完全消除内应力，到达相变点温度（860～940 ℃）时，α相向β相转变，冷却析出大量针状α相，抗拉强度达到1 060 MPa，当退火温度为940 ℃时塑性最高，断面收缩率达到48%，伸长率达到17.5%。田野等[21]将TA19钛合金样品进行不同温度（900、950、975、1 000、1 050 ℃）×1 h/AC退火处理，研究退火温度对晶粒度的影响。结果表明，晶粒在1 000 ℃以下增长缓慢，在1 000 ℃及以上时，晶粒长大明显，且随保温时间延长，α相长大越明显，抗拉强度随着温度升高开始迅速下降，当退火温度为950℃时趋于稳定，温度在800 ℃左右时断面收缩率达到98%后基本保持不变，伸长率在950 ℃时达到最大值240%。2012张哲等[22]采用不同退火工艺（890、915、940、990、1 035℃）×1 h/AC，研究了TA19钛合金组织性能的变化趋势。实验表明，随退火温度的升高，片状α晶粒尺寸增大。退火工艺在965 ℃×1 h/AC处理得到最佳性能，其抗拉强度、伸长率和断面收缩率分别为980 MPa、19%、40%。2014年，张杰等[23]采用不同退火工艺（750、800、850 ℃）×1 h/AC，对TA15钛合金板材组织中两相区（α+β）进行实验，结果表明，当退火温度为850 ℃时亚稳相β充分分解为次生α相，从而增加合金的强度，此时合金板材的横向抗拉强度为985 MPa、纵向抗拉强度为975 MPa，横、纵向抗拉强度基本接近，横向伸长率为15.7%，纵向伸长率为16.5%，且随温度的升高横纵差异逐渐减小。2021年，陈容[24]研究了热轧态TA10钛合金板材在不同退火工艺（600、650、700、750、800、850 ℃）×1 h/AC下，对其组织和性能的影响。结果表明，退火温度为600～ 700 ℃时，主要发生回复再结晶，并在α相晶界处形成了一种硬脆金属间化合物Ti2Ni颗粒，沿晶界分布显著降低伸长率，此时抗拉强度、伸长率为和维氏硬度分别为379.1 MPa、17.5%、153 HV；温度在750～850 ℃范围内时，α相再结晶完成，β相由条状转变为块状；当退火温度超过850 ℃时，β相转变为针状α相和β相，而Mo、Ni等元素在冷却过程中发生固溶转变，其硬度与基体存在较大差异致使合金力学性能下降，抗拉强度为229.6 MPa、伸长率为12.0%、维氏硬度为142 HV。

2 固溶时效对近α型钛合金板材组织和性能的影响

通常钛合金在固溶处理之后进行时效处理以达到强化合金的目的。近α型钛合金固溶处理是将高温相转化为一系列的亚稳相，在后续的时效过程中，亚稳相将得到弥散相来强化合金，提高合金强度、硬度。其强化效果与组织中次生α相的体积分数与形态有着密切关系。细小的次生α相的沉淀作为晶格滑移路径上的阻碍产生类似于弥散强化的效果可以有效提高合金的拉伸强度，而初生α相形态可影响钛合金的延展性，细长状的α相表现出较低的延展性[25-30]。

2.1 固溶处理

2008年，冯冉等[31]对Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-Nb-Ta钛合金在（1 010、1 025、1 030、1 035、1 040、1 045 ℃）×1 h固溶后，采用不同方式冷却（水冷、空冷和炉冷），研究固溶温度和冷却速度对其性能组织的影响。结果表明，在相变点温度（1 030～1 035 ℃）区间内发生（α+β）/β相转变，显微组织中β晶粒迅速长大，α相有着明显球化趋势，在β相区内进行固溶处理之后，可以观察到其微观组织从针状马氏体向网篮组织和魏氏组织并存状态转变，最终形成魏氏组织。采用快冷的方式，β→α相变主要为切变机制，不会出现“叉形”形貌，而缓慢冷却相变主要由原子扩散机制控制，存在“叉形”形貌，且随固溶温度的升高“叉形”形貌更明显。2017年，罗文忠等[32]在不同温度下（1 060、1 040 ℃）对Ti60钛合金进行固溶处理，研究其组织和性能。结果表明，在1 060 ℃和1 040 ℃温度下进行固溶处理分别得到α′和（α+α′）组织，其中（+'）马氏体组织残留约10%的初生等轴α相，其中少量等轴α相提高了组织协调能力。室温下，抗拉强度均超过1 000 MPa，当温度为1 040 ℃时塑性较好，伸长率达到12.7%，断面收缩率达到33%。2019年，陶欢等[33]对TA10合金棒材进行（750、800、850、900 ℃）×0.5 h水冷固溶+500 ℃×2 h空冷时效处理，并对其显微组织与力学性能进行分析。结果发现，温度达到相变点890 ℃后，由图2可以看出，随着热处理温度增加，初生α相不断溶入β相中，β相变组织增多，合金的强度增大，塑性呈现先上升后下降的趋势，当热处理工艺为800 ℃×0.5 h水冷固溶+500 ℃×2 h空冷时效时，组织性能得到改善，其抗拉强度为510 MPa、屈服强度为377 MPa、伸长率为分别26.7%。

图2 TA10钛合金在不同固溶温度下的显微组织

2020年，周伟等[34]对高温钛合金TXG热轧板材进行固溶处理，在β区（Tβ-10 ℃）固溶后，采用3种冷却方式冷却（空冷、油冷、水冷），在650 ℃时进行时效处理。研究表明，冷却速度慢时，α相由合金元素扩散形式得到；冷却速度较快时，次生α相来不及析出，显微组织成分均为亚稳相α′相和α″相，对比分析得出采用油冷处理后热轧板材综合力学性能较好，抗拉强度为1 186 MPa、断面收缩率为17%、伸长率为10%。

2.2 时效处理

2017年，张永强等[35]对TA19钛合金采用5种不同热处理参数（Tβ —10 ℃、Tβ —20 ℃、Tβ —30 ℃、Tβ —40 ℃、Tβ —50 ℃）×1 h风冷固溶+595℃×8 h空冷时效。结果表明，随着固溶温度升高，起始α相含量降低，β相组织转变增加，强度下降，蠕变性能提高。其最好的热处理工艺为（Tβ-10 ℃）×1 h/风冷固溶+595 ℃×8 h/空冷时效，该合金抗拉强度为1045 MPa，伸长率为16.5%，断面收缩率为41.0%。2019年，周烨等[36]对TA19钛合金固溶时效工艺进行改善，研究在不同热处理参数（930、960、990 ℃）×2 h水冷固溶+（550、590、630 ℃）×8 h和16 h空冷时效，对该合金组织性能的影响。结果表明，热处理参数在930 ℃×2 h固溶+590 ℃×8 h时效处理后，由于β相固溶不充分，存在厚片层状α相，其抗拉强度和屈服强度均低于1 200 MPa，伸长率降至7.40%，断面收缩率降至32.81%。当工艺参数为960 ℃×2 h固溶+590 ℃×8 h时效时，等轴α相转变成颗粒状α相，该合金抗拉强度达到1 257 MPa，屈服强度达到1 144 MPa，伸长率达到7.48%，断面收缩率达到30.10%。2021年，孙鹏等[37]对一种近α型钛合金Ti-5Al-2Nb-2Zr-1.5Mo进行960 ℃×1 h水冷固溶+（600、500、400 ℃）×4 h水冷时效处理，对试样显微组织与性能进行了分析。结果表明，随着时效温度增加，从图3中可以看出次生α相会聚集长大，使合金性能有所下降。当热处理工艺960 ℃×1 h水冷固溶+500 ℃×4 h时效时，合金维氏硬度最高达到374 HV，屈服强度为874 MPa，抗拉强度为982 MPa，断面收缩率为18.6%，伸长率为6.1%。

图3 经时效处理后的合金TEM显微组织

3 结束语

主要介绍了热处理中去应力退火、再结晶退火和β退火以及固溶时效处理对近α型钛合金组织性能的研究现状。指出了热处理参数中退火温度、固溶温度、时效温度、保温时间和冷却速度是影响近α型钛合金组织性能的关键因素。大量实验数据得出，当退火温度低于相变点时，发生回复再结晶，合金强度硬度下降，塑性韧性上升，退火温度达到相变点时，α相向β相转变，冷却析出大量针状α相，使强度和硬度得到提高，塑性韧性下降。当固溶温度高于相变点时，初生α相不断溶入β相中，β相变组织增多，合金的强度增大，塑性呈现先上升后下降的趋势。

通过调节热处理参数，从微观结构入手[38-40],使组织的成分、含量、形态、结构和分布位置等发生改变，可有效改善合金性能，以满足生产生活的需求。目前为改善近α型钛合金的组织性能，还需进一步完善热处理制度，根据工业生产和生活应用的实际需求，应加强热处理制度研发和实验数据整理，结合国际先进标准，制定更优的钛及钛合金的热处理标准，促进行业的发展。

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Research Progress of Heat Treatment Process of Near α Titanium Alloy

CHEN Mei-xu, ZHAO Zuo-fu, YUAN Hui, LIANG Yu, XU Yuan-biao

(School of Materials Science and Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China)

In this paper, the research status of heat treatment process for near α titanium alloy is summarized, and the effects on the microstructure and properties of heat treatment process parameters including heating temperature, holding time and cooling rate are expounded in detail from the perspective of annealing treatment and solution aging. By changing the heat treatment parameters, the microstructure and phase composition of near α titanium alloy can be effectively changed, and then the comprehensive properties of titanium alloy can be improved to meet the actual production requirements, and the industrial application of near α titanium alloy is predicted.

near α titanium alloy; annealing treatment; solution aging; microstructure and performance.

10.15916/j.issn1674-3261.2023.03.003

TG166.5

A

1674-3261(2023)03-0151-06

2023-01-31

国家自然科学基金项目(51601086)；辽宁省自然科学基金计划面上项目(2022-MS-381)；国家级大学生创新创业训练计划项目(202210154004)

陈美旭(1999-)，男，云南曲靖人，本科生。

赵作福(1978-)，男，辽宁锦州人，教授级高级实验师，博士。

责任编辑：孙 晶